Реализация проекта "Экоград" с применением робототехнического комплекта Lego Mindstorms EV3 в основной школе

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЕКТА «ЭКОГРАД» С ПРИМЕНЕНИЕМ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКТА LEGO MINDSTORMS EV3 В ОСНОВНОЙ ШКОЛЕ



СОДЕРЖАНИЕ

робототехника дидактический образовательный

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. НАУЧНО - ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТА «ЭКОГРАД» В ОСНОВНОЙ ШКОЛЕ

1.1 Роль и место робототехнических комплектов в ООО

1.2 Характеристика проекта «Экоград»

1.3 Анализ используемых робототехнических комплектов для реализации проекта «Экоград»

ГЛАВА 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТА «ЭКОГРАД» С ПРИМЕНЕНИЕМ LEGO MINDSTORMS EV3 В ОСНОВНОЙ ШКОЛЕ

2.1 Разработка электронной поддержки образовательного процесса по робототехнике для обучающихся 7-9 классов

2.2 Организация образовательного процесса по реализации проекта «Экоград»

2.3 Результат апробации разработанной методики обучения робототехнике в 7 - 9 классах с использованием комплекта Lego Mindstorms EV3

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ



ВВЕДЕНИЕ

Робототехника является одним из важнейших направлений научно -- технического прогресса, в котором проблемы механики и новых технологий соприкасаются с проблемами искусственного интеллекта. Сферы применения роботов различны: медицина, оборонно-промышленный комплекс, строительство, геодезия, метеорология и т.д. Очень многие процессы в жизни человек уже и не мыслит без робототехнических устройств (мобильных роботов): робот для всевозможных детских и взрослых игрушек, робот - сиделка, робота - домработница и т.д. Роботы становятся неотъемлемыми объектами современного мира. Специалисты, обладающие знаниями в этой области, становятся все более востребованными. О необходимости сфокусироваться на таком направлении как робототехника и подготовке соответствующих специалистов говорится в целом ряде различных документов [23, 25, 29]

В связи с большим темпом развития робототехники в обществе -- образовательная робототехника, под которой понимается междисциплинарное направление обучения школьников, интегрирующее знания о физике, технологии, математике, кибернетике и информатике, и позволяющее вовлечь в процесс инновационного научно-технического творчества учащихся разного возраста, уже сегодня приобретает все большую значимость и актуальность [5].

В ряде публикаций, отмечается, что изучение робототехники целесообразно организовывать в тесной связи с математикой, естественнонаучными дисциплинами, технологией и, конечно же, информатикой [24, 29].

Обучающие функции робототехнических комплектов состоят, в том, что школьники, занимаясь робототехникой, осваивают новый и важный пласт современной технической культуры: приобретают современные политехнические знания и умения, овладевают соответствующими техническими и технологическими концепциями.

Занятия по информатике, на которых изучаются вопросы алгоритмизации, информационные основы управления, как ни какая другая школьная дисциплина, закладывает основы в обучении школьников робототехнике. При этом, использование роботов на занятиях по информатике, позволит не только сформировать определенные умения, но и показать практическую значимость полученных знаний и умений, в том числе, и в ходе выполнения различных проектных работ.

Возможность рассмотрения вопросов робототехники на занятиях по информатике нашла отражение в примерной основной образовательной программе основного общего образования, где робототехника представлена отдельным блоком в основном содержании учебного предмета «Информатика» [24].

Для введения робототехники в основное общее образование, с нашей точки зрения, интерес представляет проект «Экоград», позволяющий познакомить обучающихся с основами проектирования и конструирования для выполнения конкретных задач, возникающих в жизни.

К сожалению, имеющиеся для проекта «Экоград» материалы (рекомендации по сборке роботов и программы) возможно применить для нового комплекта, поставляемого в настоящее время в образовательные учреждения, являющегося усовершенствованной линейкой образовательных комплектов и обладающего рядом преимуществ - лишь частично. При этом, разработанные электронные образовательные ресурсы для проекта «Экоград», позволили бы реализовать знакомство обучающихся с деталями конструктора LEGO, моторами, датчиками, интерфейсом и возможностями приложения LEGO MINDSTORMS EV3, готовя ребят к дальнейшей работе с робототехническими комплектами.

Многие аспекты методической системы обучения информатике отражены в работах А.А. Кузнецова, С.А. Бешенкова, В.С. Леднева и др.

Вопросы проектной деятельности рассматриваются в работах Т.Б. Захаровой, И.Д. Чечель и др. Вопросы образовательной робототехники отражены в работах следующих исследователей: М.Г. Ершова, Н.Н. Самылкиной, К.А. Вегнера, С.А. Филиппова, М.В. Васильева, В.В. Тарапаты, A. Carberry, M. Bers, Ch. Rogers и др. В большинстве случаев внимание уделяется вопросам организации робототехнического творчества учащихся в дополнительном образовании.

В целом, анализ научно-методических работ показал, что сегодня уже не подвергается сомнению, что робототехника должна занимать особое место в содержание основного общего образования. При этом большими возможностями для изучения робототехники обладает проект «Экоград». Однако как показал анализ литературы, пока нет четко обоснованных подходов построения методики изучения вопросов робототехники. Нужны дополнительные исследования в этом направлении. Это обстоятельство определяет проблему, поставленную в данном исследовании.

Таким образом, можно сказать, что проблема эффективной организации образовательного процесса в проекте «Экоград» с применением комплекта LEGO MINDSTORMS EV3 в основной школе продолжает оставаться актуальной.

Целью данного исследования является разработка и обоснование подхода, позволяющего более эффективно организовать образовательный процесс в проекте «Экоград» с применением комплекта LEGO MINDSTORMS EV3 в 7-9 классах.

Объект исследования - изучение робототехники на базе проекта «Экоград» в основном общем образовании.

Предметом исследования являются особенности организации образовательного процесса в проекте « Экоград» с применением комплекта LEGO MINDSTORMS EV3 в 7-9 классах.

Изложенная выше цель является основанием для определения задач исследования:

1. Изучить роль и место робототехнических комплектов в основном общем образовании.

2. Охарактеризовать проект «Экоград» и выявить дидактический потенциал проекта в изучении робототехники в основной школе.

3. Провести анализ использования робототехнических комплектов для реализации проекта «Экоград».

4. Разработать электронную поддержку образовательного процесса по робототехнике для обучающихся 7 - 9 классов.

5. Определить подходы в организации образовательного процесса по реализации проекта «Экоград».

6. Провести апробацию разработанной методики обучения робототехнике в 7 - 9 классах с использованием комплекта LEGO MINDSTORMS EV3.

Новизна и теоретическая значимость исследования заключается в следующем:

1. Выявлен дидактический потенциал проекта «Экоград» в изучении робототехники в основной школе.

2. Разработана электронная поддержка образовательного процесса по робототехнике для обучения 7 - 9 классов.

3. Предложены подходы к организации образовательного процесса по реализации проекта «Экоград».

Наряду с этим, исследование обладает практической значимостью, которая выражается в том, что разработанные ресурсы могут быть использованы учителями при обучении робототехнике.

Апробация и внедрение результатов исследования. Материалы исследования обсуждались на заседаниях кафедры теории и методики обучения информатике (Москва, 2015-2016) и на Международной научно-практической интернет-конференции (Москва, 2016).

Внедрение результатов исследования было осуществлено в 2015г. в ГБОУ СОШ №1231 в 7 классах.

Публикации. Отдельные вопросы содержания выпускной квалификационной работы отражены в публикации «Некоторые аспекты обучения школьников робототехнике» [18].



ГЛАВА 1. НАУЧНО-ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТА «ЭКОГРАД» В ОСНОВНОЙ ШКОЛЕ

1.1 Роль и место робототехнических комплектов в ООО

Во все времена научная и производственная деятельность человека определялась, с одной стороны, потребностью развития и усовершенствования общественного производства как базы для достижения экономического могущества, с другой - необходимостью исследования и освоения новых нетрадиционных пространств и сфер деятельности.

Сегодня робототехника очень плотно вошла в жизнь человека. Главным фактором развития робототехники в современном обществе является развитие больших производств и необходимость в большом количестве рабочей силы. Роботы сегодня почти полностью заменяют человека в разных областях.

Все разрабатываемые человеком механизмы призваны, в первую очередь, существенно облегчить его жизнь. В медицинской сфере идет активная разработка микророботов, которые в последующем могут быть погружены в организм человека для проведения лечения. В Японии уже активно используются прототипы людей для работы в больницах медработниками. Предполагается, что в скором будущем они даже смогут поднимать и переносить больных. Сегодня роботы данного типа могут распознавать лица и хорошо реагируют на голос.

О необходимости сфокусироваться на таком направлении как робототехника и подготовке соответствующих специалистов говорится в целом ряде различных документов, таких как: Стратегия развития отрасли информационных технологий в Российской Федерации на 2014 -- 2020 годы и на перспективу до 2025 год; Прогноз научно-технологического развития Российской Федерации на период до 2030 года (в которых говорится о том, что робототехника является одним из приоритетных направлений исследований и разработок в области информационных технологий); Приказ Минтруда России от 02.11.2015 N 831 «Об утверждении списка 50 наиболее востребованных на рынке труда, новых и перспективных профессий, требующих среднего профессионального образования» [23, 24, 29].

В связи с быстрым темпом развития робототехники в обществе -- образовательная робототехника, под которой понимается междисциплинарное направление обучения школьников, интегрирующее знания о физике, технологии, математике, кибернетике и информатике, и позволяющее вовлечь в процесс инновационного научно-технического творчества учащихся разного возраста, уже сегодня приобретает все большую значимость и актуальность [5].

В основной школе, учащиеся уже готовы к восприятию робототехники как серьезной науки, готовы к решению технических задач в силу устойчивой подготовки и освоению некоторых необходимых тем по математике. Учащиеся готовы к логическому и творческому мышлению более серьезно, чем в начальной школе. Так как самые сложные задачи, которые решаются в робототехнике - это конструкторские и программистские, то интегрируясь в информатику основной школы, робототехника создаст благодатную почву для изучения алгоритмизации, упрощая понимание основ алгоритмических конструкций и приемов программирования. Позволит подготовить обучающихся основной щколы к изучению языков программирования, пониманию процессов моделирования, грамотно использовать средства информационных технологий в учебной деятельности.

Отдельные аспекты введения робототехники в общее образование освещены в работах Н.Н. Самылкиной, С.А. Филиппова, М.В. Васильева, В.В. Тарапаты , К.А. Вегнера, М.Г. Ершова и др. В ряде публикаций, отмечается, что изучение робототехники целесообразно организовывать в тесной связи с математикой, естественнонаучными дисциплинами, технологией и, конечно же, информатикой. [5, 6, 11, 12, 13, 28, 30, 34] Организация занятий по робототехнике в образовательном учреждении подразумевает: развитие научно-технического творчества; внедрение научно- практических технологий в образовательный процесс; популяризация инженерной профессии; развитие робототехники в мире.

В связи с появлением новых возможностей в организации учебного процесса с использованием роботов выделяются следующие компоненты образовательного процесса, в которых появляется робототехника:

1. Элективные курсы и кружковая формы работы.

2. Исследования, проектная работа, участие в конкурсах, включая дистанционные и сетевые формы. При этом, школьник должен иметь возможность самоопределиться в выборе уровня знакомства с робототехникой. Либо ему будет достаточно базового уровня, либо он будет знакомиться с робототехникой по расширенному или углубл?нному варианту, выбирая элективные курсы, проектную деятельность и другие формы.

В практической деятельности преподаватели выделяют виды проектной деятельности учащихся на занятиях по робототехнике, а именно [20, 21]:

1) создание нового робота или модернизация имеющегося (конструктивные, элементные и программные обновления) для решения исследовательской или прикладной учебной задачи на базе типовых образовательных наборов по робототехнике;

2) создание нового робота или его модернизация для решения исследовательской или прикладной учебной задачи на основе:

а) самостоятельной разработки новых датчиков и других систем робота, расширяющих возможности его практического применения;

б) использование робота совместно с другими техническими системами, в том числе оборудованием школьного кабинета информатики, математики, физики, технологии.

Основными плюсами образовательной робототехники являются:

1. Популярность робототехники среди школьников и молодежи с каждым годом. Она позволяет детям в увлекательной форме познавать законы физики, математики, информатики, развивать пространственное мышление, логику, учиться работать в команде. Робототехника вовлекает ребенка в мир творчества, дает стимул для получения новых знаний. Она поощряет детей мыслить творчески, анализировать, критически относиться к своей работе.

2. Курс робототехники отвечает требованиям федеральных стандартов второго поколения, одним из которых является деятельностный подход в образовании, ставящий главной целью развитие личности учащегося. Робототехника направлена на формирование творческой личности, живущей в современном мире компьютерных технологий.

3. В отличие от множества виртуальных учебных исполнителей (Черепаха, Чертежник), и которые помогают обучающимся изучить тему «Алгоритмизация», роботы реальны, что не только увеличивает мотивационную составляющую изучаемого материала, но и вносит в него исследовательский компонент.

Образовательная робототехника:

· позволяет: повысить мотивацию у учащихся, углубить и расширить предметные знания, совершенствовать знания в технической области, сформировать умения и навыки в сфере технического проектирования, моделирования и конструирования, усилить профильную подготовку учащихся и их ориентацию на профессии инженерно- технического уровня и др.

· способствует достижению планируемых результатов освоения основной образовательной программы:

1. НОО [32]:

- воспитание и развитие качеств личности, отвечающих требованиям информационного общества, инновационной экономики, задачам построения демократического гражданского общества на основе толерантности, диалога культур и уважения многонационального, поликультурного состава российского общества;

- активное использование речевых средств и средств информационных и коммуникационных технологий для решения коммуникативных и познавательных задач;

- использование различных способов поиска (в справочных источниках и открытом учебном информационном пространстве сети Интернет), сбора, обработки, анализа, организации, передачи и интерпретации информации в соответствии с коммуникативными и познавательными задачами и технологиями учебного предмета; в том числе умение вводить текст с помощью клавиатуры, фиксировать (записывать) в цифровой форме измеряемые величины и анализировать изображения, звуки, готовить свое выступление и выступать с аудио-, видео- и графическим сопровождением; соблюдать нормы информационной избирательности, этики и этикета;

- умение работать в материальной и информационной среде начального общего образования (в том числе с учебными моделями) в соответствии с содержанием конкретного учебного предмета

2. ООО [32 ]:

- формирование и развитие компетентности в области использования информационно-коммуникационных технологий;

- понимание роли информационных процессов в современном мире;

- получают представление об основных информационных процессах в реальных ситуациях;

- формирование информационной и алгоритмической культуры; формирование представления о компьютере как универсальном устройстве обработки информации; развитие основных навыков и умений использования компьютерных устройств;

- формирование представления об основных изучаемых понятиях:

информация, алгоритм, модель - и их свойствах;

- развитие алгоритмического мышления, необходимого для профессиональной деятельности в современном обществе; развитие умений составить и записать алгоритм для конкретного исполнителя; формирование знаний об алгоритмических конструкциях, логических значениях и операциях; знакомство с одним из языков программирования и основными алгоритмическими структурами -- линейной, условной и циклической;

- формирование навыков и умений безопасного и целесообразного поведения при работе с компьютерными программами и в Интернете, умения соблюдать нормы информационной этики и права.

3. СОО [33]:

- готовность и способность к самостоятельной информационно- познавательной деятельности, включая умение ориентироваться в различных источниках информации, критически оценивать и интерпретировать информацию, получаемую из различных источников;

- умение использовать средства информационных и коммуникационных технологий в решении когнитивных, коммуникативных и организационных задач с соблюдением требований эргономики, техники безопасности, гигиены, ресурсосбережения, правовых и этических норм, норм информационной безопасности

- сформированность основ логического, алгоритмического и математического мышления;

- сформированность представлений о роли информатики в современном обществе, понимание основ правовых аспектов использования компьютерных программ и работы в Интернете;

- сформированность представлений о влиянии информационных технологий на жизнь человека в обществе; понимание социального, экономического, политического, культурного, юридического, природного, эргономического, медицинского и физиологического контекстов информационных технологий;

- сформированность представлений о роли информации и связанных с ней процессов в окружающем мире;

- владение навыками алгоритмического мышления и понимание необходимости формального описания алгоритмов;

- владение умением понимать программы, написанные на выбранном для изучения универсальном алгоритмическом языке высокого уровня; знанием основных конструкций программирования; умением анализировать алгоритмы с использованием таблиц;

- владение стандартными при?мами написания на алгоритмическом языке программы для решения стандартной задачи с использованием основных конструкций программирования и отладки таких программ; использование готовых прикладных компьютерных программ по выбранной специализации;

- сформированность представлений о компьютерно-математических моделях и необходимости анализа соответствия модели и моделируемого объекта (процесса); о способах хранения и простейшей обработке данных; понятия о базах данных и средствах доступа к ним, умений работать с ними;

- владение компьютерными средствами представления и анализа данных;

- сформированность базовых навыков и умений по соблюдению требований техники безопасности, гигиены и ресурсосбережения при работе со средствами информатизации; понимания основ правовых аспектов использования компьютерных программ и работы в Интернете.

Использование робототехнических комплексов способствуют формированию регулятивных УУД.

1. Способность к целеполаганию.

Учащийся учится ставить цель и, удерживая е? на протяжении всего занятия, достигает необходимого результата. Самостоятельно разрабатывая собственного робота, он учится ставить перед собой учебную задачу.

2. Развитие способности к планированию.

Поставив перед собой цель, учащийся составляет план деятельности по моделированию своего робота или изменению уже готового. Он учится работать по готовым инструкциям (возможно входящим в комплект конструктора), и по схемам, разработанным учителем. Указания по выполнению плана могут быть как письменными или графическими, так и устными. Помимо этого, работая в команде, надо уметь правильно распределить обязанности между всеми участниками процесса.

3. Развитие способности к прогнозированию.

Школьник учится прогнозировать результаты своей деятельности, выбирая различные способы выполнения одного и того же задания, так как, изменяя схему или последовательность сбора модели, используя разные детали, ученик получает различные варианты одного и того же робота.

4. Формирование действия контроля.

Выполнив задание, учащийся получает готовую модель и имеет возможность самостоятельно проверить правильность е? выполнения. Тем самым формируется умение контролировать и оценивать учебные действия в соответствии с поставленной задачей и условиями е? реализации, указанное в числе метапредметных результатов обучения.

5. Формирование действия коррекции.

Обнаружив недоч?ты в своей работе, школьник имеет возможность внести коррективы на любой стадии сборки модели. Он учится критично относиться к результатам своей деятельности и деятельности окружающих. Если модель робота не выполняет запланированные функции, значит, на какой-то стадии работы допущена ошибка, которая требует исправления. В итоге происходит формирование умения понимать причины успеха/неуспеха учебной деятельности и способности действовать даже в ситуациях неуспеха.

6. Развитие способности к оценке.

Учащийся получает возможность сравнивать свою модель с моделями одноклассников, а значит, оценить уровень выполнения своей работы: сложность, функциональность, внешнюю эстетичность, рациональность робота. При этом реб?нок учится объективно оценивать результат не только своей, но и чужой деятельности. На основе полученных результатов он может сделать выводы об уровне своих знаний и умений.

7. Формирование саморегуляции.

Процесс сборки модели требует терпения и самообладания. Если по каким-то причинам школьнику приходится делать работу сначала, ему нужно приложить некоторое волевое усилие для успешного устранения недоч?тов. При общении с напарниками по заданию реб?нку необходим самоконтроль, поскольку в ходе планирования или выполнения модели у детей могут возникать разногласия. Таким образом происходит формирование навыков сотрудничества со взрослыми и сверстниками в разных ситуациях, развитие умений не создавать конфликтов и находить выходы из спорных ситуаций.

О необходимости создания российской конкурентоспособной детской и образовательной робототехники, ориентированной на выполнение дидактических задач говорит, утвержденный в 2016 году, профессиональный стандарт «Специалист по проектированию детской и образовательной робототехники» [26].

В Федеральной целевой программе развития образования на 2016 -- 2020 годы говорится о реализации модели сетевого взаимодействия общеобразовательных организаций, организаций дополнительного образования, и др. организаций в сфере робототехники; а также, об обеспечении поддержки всероссийских и межрегиональных мероприятий (конкурсов, фестивалей, мастер-классов), в том числе в области научно- технического творчества (робототехники) учащихся [31].

Так же существует «Резолюция от 23 января 2015 года №ДМ-П8-300», в которой председатель правительства Дмитрий Анатольевич Медведев дает поручение главам министерств и в частности министру образования и науки России Дмитрию Викторовичу Ливанову: «Минобрнауки России (Д.В.Ливанову) оказать содействие в реализации проектов автономной некоммерческой организации «Агентство стратегических инициатив по продвижению новых проектов» в части:

- формирования попечительского совета программы «Робототехника: инженерно-технические кадры для инновационной России», а также проведения финального этапа олимпиады по робототехнике на площадке всероссийского робототехнического фестиваля «Робофест»;

- методической и организационной поддержки проекта по подготовке проектно-ориентированных инженерных команд для нужд системообразующих отраслей промышленности «Технопрорыв»;

- информационной поддержки проектов в сфере онлайн-образования».

Возможность рассмотрения вопросов робототехники на занятиях по информатике нашла отражение в ПООП ООО, где робототехника представлена отдельным блоком в основном содержании учебного предмета «Информатика» [24]. Отметим, что информатика в 5-6 классах представлена в ООП в вариативной части, а в 7-9 классах в инвариантной части.

В ПООП ООО блок «Робототехника» отражается следующим образом:

Робототехника - наука о разработке и использовании автоматизированных технических систем. Автономные роботы и автоматизированные комплексы. Микроконтроллер. Сигнал. Обратная связь: получение сигналов от цифровых датчиков (касания, расстояния, света, звука и др.

Примеры роботизированных систем (система управления движением в транспортной системе, сварочная линия автозавода, автоматизированное управление отопления дома, автономная система управления транспортным средством и т.п.).

Автономные движущиеся роботы. Исполнительные устройства, датчики. Система команд робота. Конструирование робота. Моделирование робота парой: исполнитель команд и устройство управления. Ручное и программное управление роботами.

Пример учебной среды разработки программ управления движущимися роботами. Алгоритмы управления движущимися роботами. Реализация алгоритмов "движение до препятствия", "следование вдоль линии" и т.п.

Анализ алгоритмов действий роботов. Испытание механизма робота, отладка программы управления роботом Влияние ошибок измерений и вычислений на выполнение алгоритмов управления роботом.[24]

В связи с близостью содержания и объектов изучения таких предметов как информатика, физика, технология с робототехникой, можно рассматривать возможные варианты встраивания робототехники в содержания этих предметов.

Основными плюсами изучения робототехники на занятиях по информатике являются:

- визуализация исполнителей в развитии алгоритмического мышления (программирование и управление существующим объектом).

- робот - как информационная модель на уроках информатики, где учащиеся имеют возможность познакомиться с основными принципами управления, в том числе построенном на обратной связи.[8]

Применение робототехнических комплектов на занятиях позволяют обучающимся раскрывать свои творческие способности, навыки сотрудничества и работы в команде, позволяет им производить анализ своей деятельности, возможность самостоятельного приобретения, переноса и интеграции знаний полученных на занятиях, формирование и оценку навыка разрешения проблем/проблемных ситуаций, требующие принятия решения в ситуации неопредел?нности.

С каждым годом робототехнические решения становится все востребованнее, а их основные возможности приумножаются. Это одно из направлений, которое способно объединить в себе большинство основных школьных предметов, таких как математика, физика, информатика, биология, химия и тд, а так же реализовать межпредметные связи в соответствии с ФГОС ООО. Оно способно сформировать у обучающихся живой интерес к инженерно - техническим специальностям и развить их познавательную активность. Учащийся должен владеть универсальными учебными действиями: уметь самостоятельно планировать и осуществлять учебную деятельность, создавать, применять и преобразовывать знаки и символы, активно использовать информационно-коммуникационные технологии в своей деятельности.

Сегодня робототехникой учащиеся занимаются как на уроках так и во внеурочное время, а так же на курсах по выбору. В рамках занятий дети учатся программированию, отладке программ и тестирование их уже на самих роботах. Такого рода занятия очень важны для всестороннего развития ребенка.

Конструирование, моделирование, программирование роботов в комплексе с использованием информационно-коммуникационных технологий, как правило, отличается высокой степенью творчества, самостоятельности, соперничества, коммуникации в группе. У учащихся формируются компетенции, необходимые современному школьнику. Среди них предметные, метапредметные, коммуникативные и др.

Основанием для любого движения к развитию в технологическом или образовательном направлении является технологическая задача, которая в свою очередь складывается из стремления решить поставленную задачу, получить теоретические знания, привлекая при этом знания, полученные на других школьных предметах. С другой стороны это направленность учащегося представлять свои инженерные решения в результате выполнения проектных работ. Это направление является полноценным пространством для развертывания личной образовательной траектории учащегося, таким образом взаимообогащается сплавом теории и практики на стыке перспективных областей знаний. Это является актуальным особенно в настоящий момент, когда в нашей стране прикладываются целенаправленные усилия по переводу развития технологий на инновационные рельсы.

«Образовательная робототехника - это междисциплинарное направление обучения школьников, интегрирующее знания о физике, технологии, математике, кибернетике и информатике, позволяющее вовлечь в процесс инновационного научно-технического творчества учащихся разного возраста. Она направлена на популяризацию научно- технического творчества и повышение престижа инженерных профессий среди молодежи, развитие у молодежи навыков практического решения актуальных инженерно-технических задач и работы с техникой».[5]

Следует заметить, что образовательная робототехника, как педагогическая технология, основывается на использовании предметов школьной программы. Для решения конкретной задачи, а именно - разработки, проектирования и создания робота необходимо интегрировать в одном процессе когнитивные достижения ряда дисциплин, преподаваемых в учебных заведениях (математика, физика, химия, информатика, технология, и др.). При этом у учащегося:

- формируется ч?ткая связь между вышеуказанными дисциплинами;

- возникает понимание смысла обучения;

- формируется умение достигать конкретного результата;

- через участие в роботехнических соревнованиях, возникает понимание конкурентной способности идей и решений.

Обучающиеся, попадая в ситуацию, когда теоретические знания оказываются востребованными без временного интервала, активно и самостоятельно восполняет их недостаток, и эти знания усваиваются им гораздо прочнее, чем при традиционном когнитивном подходе. Знания, таким образом, становятся «живыми», интересными для учащихся

Анализируя вышеизложенное можно сделать следующие выводы:

1. Робототехника является одним из важнейших направлений научно -- технического прогресса, в котором проблемы механики и новых технологий соприкасаются с проблемами искусственного интеллекта. Сферы применения роботов различны. Специалисты, обладающие знаниями в этой области, становятся все более востребованными. О необходимости сфокусироваться на таком направлении как робототехника и подготовке соответствующих специалистов говорится в целом ряде различных документов

2. В связи с большим темпом развития робототехники в обществе -- образовательная робототехника уже сегодня приобретает все большую значимость и актуальность. Робототехника в образовании позволяет сформировать у учащихся навыки программирования, стимулирует интерес к технике и конструированию, способствует развитию логического и алгоритмического мышления. Позволяет сформировать у школьников информационную компетентность, создает в урочной и внеурочной деятельности по информатике развивающую образовательную среду, учит использовать полученные при изучении других предметов знания. Дает возможность для создания проектов, способствуют освоению и соблюдению норм общения, поведения, работы в команде, созданию положительной мотивации и стремлению к успеху.

3. Робототехника на занятиях по информатике позволяет визуализировать исполнителей (программирование и управление существующим объектом). Так же робот является информационной моделью, где учащиеся имеют возможность познакомиться с основными принципами управления, в том числе построенном на обратной связи (учащийся - робот, робот - учащийся).

4. Робототехника в явном виде представлена в курсе информатики и выделена отдельным блоком в ПООП ООО [24] . Так же она интегрируется в такие предметы как физика, технология и др.

1.2 Характеристика проекта «Экоград»

Проект Экоград - эффективный проект для знакомства с робототехникой в основной школе. Он представляет собой тематический набор, состоящий из стандартных деталей LEGO, где основной задачей является строительство зданий в энергоэффективном городе и программирование роботов для выполнения определенных задач. В набор входят шесть тренировочных полей, которые предназначены для развития навыков программирования в соответствии с тренировочными заданиями и 1365 LEGO - деталей для сборки моделей для тренировочного поля. Рабочие поля и сами модели создают образовательную среду повышенной мотивации, способствующую совершенствованию навыков программирования, а так же развитию навыков преодоления общетехнических проблем. Велики и дидактические преимущества его использования - наглядность, легкость в отладке, акцент именно на создании алгоритмов, а не изучении синтаксиса языка, мотивированность в постановке задач, творческих подход к решению поставленных задач и многое другое. Они гарантируют развитие алгоритмического мышления. Плюсом именно такого знакомства с робототехникой является возможность применения полученных учащимися знаний на практике, а именно на таких предметах как информатика, математика, технология, физика и др. Она позволяет углубить уже имеющиеся знания и раскрыть потенциал учащихся.

Набор «Экоград» создает среду проблем для школьников, которое они должны решить при помощи роботов. В процессе конструирования роботов у детей развивается целый ряд навыков. Набор LEGO можно использовать на большинстве школьных предметов:

1. На уроках информатики появляется возможность проектирования, программирования, навыков чтения двумерных схем и графических блоков программирования, навык анализа результатов, испытания и доработки уже готовых проектов, развития навыков работы в творческом коллективе.

2. На естественно научных предметах ученики могут изучать такие понятия как скорость, трение, принципы работы простых машин и механизмов, развития навыков исследования и тестирования, прогнозирования, сбора и анализа результатов.

3. На уроках математики в научных, технологических и технических целях: измерения массы, скорости, расстояния, веса, возможность построения графиков для прогнозирования показателей измерений, сведение данных в таблицы, определения соотношений.

Проект «Экоград» рассчитан на 45 часов занятий, но предполагает возможности расширения идей и творческих проектов учащихся, которые требуют большего времени обучения. Для углубленного изучения, программирования и тестирования роботов наиболее подходящей формой обучения являются сдвоенные занятия.

Для разделения уровня сложности, в наборе предусмотрены три уровня сложности:

1. Обучающиеся решают проблему управления движением роботов.

2. Обучающиеся решают проблему, задействовав датчики.

3. Датчики становятся обязательным для решения проблемы (продвинутый уровень).

На каждом уровне учащиеся получают набор обязательных правил, миссию, которую необходимо выполнить и систему оценок, которые после окончания работы, учитель проставляет в оценочный лист. Набор дает возможность обучающимся раскрыть свои творческие и инженерные способности.

Предложенные уровни сложности позволяют реализовать основные принципы обучения алгоритмизации (программированию):

- от простого к сложному, что подразумевает постепенное усложнение задач;

- новизна, где каждая новая задача вносит какой-то новый элемент знаний (новая команда, новый прием программирования);

- наследование, при котором каждая следующая задача требует использования знаний, полученных при решении предыдущих задач [17].

Для каждой миссии существует руководство по выполнению заданий, сборке робота, его программированию и использованию насадок. Предложенный робот всегда создается при помощи только базового набора. После окончательной сборки, пособие предлагает готовую программу, которую необходимо загрузить в блок NXT при помощи кабеля USB и затем запустить, поставив готового работа на стартовую позицию.

Объекты на тренировочном поле (Рис.1) собираются аналогично, при помощи подробных схем, шаг за шагом, при помощи деталей LEGO MINDSTORMS NXT. Всего на карте их шесть: ветровая турбина, солнечная панель, дымовая труба, дамба, сортировочная отходов, Экоград.

Рис.1

Соответственно миссий, которые предлагаются к выполнению, тоже шесть:

1. Запуск ветровой турбины

Рис. 2

Уровень 1: задача робота состоит в том, чтобы запустить ветровую турбину( Рис.2). Робота необходимо собрать согласно подробной схеме сборки, программу загрузить в блок NXT и установить робота на стартовую площадку(базу), обозначенную на карте белым продолговатым квадратом, с соответствующей разметкой . В момент запуска турбины, высвобождается «энергетический элемент», его можно подобрать рукой.

Уровень 2: задача остается прежней - запуск ветровой турбины, но «энергетический элемент» должен быть подобран и доставлен на базу самим роботом. Задача усложняется тем, что необходимо продумать робота и дополнить программу таким образом, чтобы он мог осуществить захват и доставку элемента на базу.

Уровень 1 и Уровень 2 оставляют учащемуся возможность на совершение ошибки или погрешности при выполнении миссии.

Уровень 3: является идентичным Уровню 2, но предполагает обязательное использование датчиков.

2. Установка солнечной панели

Рис.3

Уровень 1: Основной задачей робота является установка солнечной панели (Рис.3.) на крышу дома. Робота необходимо собрать согласно подробной схеме сборки, программу загрузить в блок NXT и установить робота на стартовую площадку(базу), обозначенную на карте белым продолговатым квадратом, с соответствующей разметкой .Высвобождаемый «энергетический элемент» можно подобрать руками.

Уровень 2: задача остается прежней - установка солнечной панели, но «энергетический элемент» должен быть подобран и доставлен на базу самим роботом. Задача усложняется тем, что необходимо продумать робота и дополнить программу таким образом, чтобы он мог осуществить захват и доставку элемента на базу.

Уровень 3: является идентичным Уровню 2, но предполагает обязательное использование датчиков.

3. Сортировка отходов

Рис. 4

Уровень 1: основной задачей робота является в сборе и сортировке городского мусора( Рис. 4) , путем установки желтой мусорной корзины на желтый контейнер для отходов, а черную мусорную корзину на черный контейнер дл отходов. Робота необходимо собрать согласно подробной схеме сборки, программу загрузить в блок NXT и установить робота на стартовую площадку(базу), обозначенную на карте белым продолговатым квадратом, с соответствующей разметкой. Высвобождаемый «энергетический элемент» можно подобрать рукой.

Уровень 2: задача остается прежняя - сбор и сортировки городского мусора, путем установки желтой мусорной корзины на желтый контейнер для отходов, а черную мусорную корзину на черный контейнер для отходов. Высвобождаемый «энергетический элемент» должен быть доставлен на базу самим роботом, но не должен оставаться там. Усложнением здесь является то, мусорные корзины устанавливаются в отведенные для них места в произвольном порядке.

Уровень 3: задача остается прежняя - сбор и сортировка городского мусора, путем установки желтой мусорной корзины на желтый контейнер для отходов, а черную мусорную корзину на черный контейнер дл отходов. Высвобождаемый «энергетический элемент» должен быть доставлен на базу самим роботом, но не должен оставаться там. На данном уровне обе мусорные корзины и оба контейнера для отходов устанавливаются в произвольном порядке.

4. Закрытие дамбы

Рис. 5

Уровень 1: основной задачей робота является в нахождении и установке блок для дамбы в проем дамбы (Рис. 5). Блок дамбы на протяжении выполнения задания находится в неизменном положении в отведенном для него месте, положение проема в дамбе так же менять запрещается. Робота необходимо собрать согласно подробной схеме сборки, программу загрузить в блок NXT и установить робота на стартовую площадку (базу), обозначенную на карте белым продолговатым квадратом, с соответствующей разметкой. Высвобождаемый «энергетический элемент» можно подобрать рукой.

Уровень 2: задача остается прежняя - нахождение и установка блока для дамбы в проем дамбы. Высвобождаемый «энергетический элемент» должен быть доставлен на базу самим роботом.

Уровень 3: задача остается прежняя - нахождение и установка блока дамбы в проем дамбы. Высвобождаемый «энергетический элемент» должен быть доставлен на базу самим роботом. На данном уровне блок дамбы устанавливается в произвольное положение, но в пределах отведенного для него места, а проем в дамбе устанавливается в произвольное положение.

5. Установка новой дымовой трубы

Рис. 6

Уровень 1: основной задачей робота в подъеме новой белой дымовой трубы и сбивании старой черной дымовой трубы (Рис. 6). Робота необходимо собрать согласно подробной схеме сборки, программу загрузить в блок NXT и установить робота на стартовую площадку(базу), обозначенную на карте белым продолговатым квадратом, с соответствующей разметкой. Высвобождаемый «энергетический элемент» можно подобрать рукой.

Уровень 2: задача остается прежняя - подъем новой белой дымовой трубы и сбивание старой черной дымовой трубы. Высвобождаемый «энергетический элемент» должен быть доставлен на базу самим роботом.

Уровень 3: является идентичным Уровню 2, но предполагает обязательное использование датчиков.

6. Энергосбережение «Экограда»

Рис. 7

В данной миссии разработчики ставят единственную задачу, не имеющую уровней сложности: роботу необходимо поместить не менее четырех собранных на поле «Энергетических элементов» и поместить их в обойму красного цвета, после чего сдвинуть обойму, толкнув ее вперед, что приведет в действия механизм активации Экогорода.

В результате выполнения миссий, Обучающиеся получают баллы, которые в дальнейшем учитель вписывает в оценочные листы. Качественное и безошибочное выполнение заданий дает учащемуся возможность получить максимальный бал за выполнение миссии - 10 баллов.

Разработчики предлагают следующие возможные усложнения миссий:

1. Ограничение времени (установление временных рамок, в пределах которых ученики должны выполнить задание);

2. Назначить датчик (усложнить миссию, разрешив использовать только определенные датчики или комбинацию датчиков.);

3. Ограничить набор LEGO - деталей (установить определенное количество деталей, которые могут использоваться для построения робота.)

В заключении разработчики предлагают детям попробовать самостоятельно изучить вопросы, связанные с обеспечением экологической чистоты природы в их городе и обдумать все возможные средства борьбы с загрязнениями природы. Перед учениками ставится задача провести собственную исследовательскую работу и привести конкретные предложения по превращению своей школы, района и страны в экологически чистую зону.

Задачи миссий позволят рассмотреть с ребятами такие вопросы как: конструирование робота, обратная связь: алгоритм управления движущимися роботами, реализация алгоритмов «движение до препятствия», «следование вдоль линии», система команд робота, автономные роботы и автоматизированные системы, получение сигналов от цифровых датчиков(касания, расстояния, света, звука и др.), ручное и программное управление роботом и др.

Проанализировав возможности и задачи проекта «Экоград», можно сказать, что он позволяет существенно повысить мотивацию учащихся, организовать их творческую и исследовательскую работу. А также позволяет школьникам в форме познавательной игры узнать многие важные идеи и развивать необходимые в дальнейшей жизни навыки. Дополнительные элементы, содержащиеся в каждом наборе конструкторов, позволяет создать модели собственного изобретения в том числе и для проекта «Экоград».

Кроме того, учащимся позволяют постигать взаимосвязь между различными областями знаний.

Положительными аспектами проекта являются: интересные и несложные в сборке модели для выполнения миссий, которые при запуске на тренировочном поле, дают ясное представление о работе механических конструкций, о силе, движении и скорости; возможность введения школьников в программирование и развитие у них инженерных наклонностей, что в дальнейшем хорошо отразится на их умственных и творческих способностях.

Отрицательными аспектами проекта являются:

· недоработка его третьего уровня сложности во всех миссиях. Уровень 3 можно доработать с точки зрения использования не только одного датчика как разработчики предлагают во 2 уровне, а использовать несколько датчиков одновременно при выполнении миссии;

· адаптированность только под набор LEGO MINSTORMS NXT и несовместимость с другими наборами не только деталями, но и возможностями ПО.

1.3 Анализ используемых робототехнических комплектов для реализации проекта «Экоград»

На сегодняшний день существует множество образовательных робототехнических комплектов, используемых в общем образовании. Одними из наиболее используемых образовательных робототехнических комплектов считаются комплекты компании LEGO. Сейчас разрабатываемые ими наборы используются для профессионального педагогического применения.

Образовательная продукция компании LEGO выпускается под брендом LEGO Education. Отличительной особенностью продукции LEGО Education от традиционных конструкторов Lego является сфера использования продукта: детские сады, школы и другие учреждения. Роботы, созданные на основе Mindstorms, применяются на уроках информатики, математики, физики, химии, технологии в школе.

Сегодня у компании LEGO существует три образовательных набора LEGO MINSTORMS:

1. LEGO MINDSTORMS NXT 1.0 (дата выпуска, 2006 год)

2. LEGO MINDSTORMS NXT 2.0 (дата выпуска, 2009 год)

3. LEGO MINDSTORMS EV3 (дата выпуска, 2013 год)

LEGO MINDSTORMS NXT является основной базой для реализации проекта «Экоград». Именно для этого набора были созданы схемы подробной сборки роботов для выполнения миссий и соответствующие программы на специальном программном обеспечении.

Рис. 8

В образовательный набор NXT( Рис.8) входят :413 элементов Lego Technic, программируемый блок, 3 мотора,4 датчиков ( освещенности, расстояния, касания, ультразвуковой), микрофон, аккумуляторная батарея для робота, коробка под элементы и детали.

«Мозгом» ПервоРобота является микрокомпьютер LEGO MINDSTORMS NXT (Рис.9), который дает нам возможность делать робота программируемым, интеллектуальным, способным принимать решения.

Рис.9 программируемом блоке есть четыре кнопки:

1. Оранжевая - включить/ввести/выключить

2. Две светло-серые стрелки - навигация, влево/вправо

1. Темно-серая - очистить/вернуться Так же есть 7 входных портов: A, B, C - для подключения электромоторов или ламп. 1, 2, 3, 4 - для подсоединения датчиков.

USB - порт дает нам возможность при помощи USB кабеля загрузить программы из программного обеспечения в память микрокомпьютера или выгрузить данные робота в память компьютера. Для связи компьютера и программируемого блока мы можем использовать беспроводную связь Bluetooth. Программировать можно и при помощи микрокомпьютера (Рис. 10). Данный вид программирования удобен для составления простых программ.

Рис. 10 В образовательном наборе NXT 4 датчика:

1. Датчик касания.

Рис. 11.

Датчик (Рис. 11) похож на кнопку и является переключателем. Его можно запрограммировать таким образом, что его действия будут зависеть от того, нажата кнопка датчика или отпущена

2. Датчик освещенности.

Рис. 12

Датчик (Рис.12) позволяет роботу различать яркость разноцветных объектов и определять освещено ли помещение, в котором находится робот. Способен работать в двух режимах: измерение отраженного света и окружающего освещения

3. Датчик звука (микрофон).

Рис. 13

Датчик (Рис.13) позволяет определить уровень шума в дБА - это те звуки, которые могут слышать уши человека и дБ - все звуки, включая те, которые не улавливает человеческое ухо как слишком высокие, так и слишком низкие. Может измерять уровень звукового давления вплоть до 90 дБ, что можно сравнить с шумом бензокосилки. Показания датчика показываются на экране микрокомпьютера в процентах от максимального уровня.

4. Датчик расстояния\

Рис.14

Датчик (Рис.14), которые делает робота «зрячим», позволяет ему «видеть» и различать объекты. Он измеряет расстояние путем подсчета времени, необходимого звуковой волне для того, чтобы достичь цели и, отражаясь от нее, вернуться обратно. Датчик способен измерять расстояние как сантиметрах, так и в дюймах с точностью +/-3 см. Есть недочеты в том, что скорость распознавания предмета зависит от его плотности, например объекты изготовленные из мягкой ткани или имеющие криволинейную поверхность, он распознает с трудом.

Возможность двигаться, роботу дают три одинаковых мотора в комплекте (Рис.15.).

Рис.15

Каждый из них оснащен датчиком оборотов, что позволяет более точно управлять роботом. Так же он позволяет проводить измерения в градусах (полный оборот равен 360 градусов, +/-1 градус). Скорость его в среднем составляет около 150 об/мин.

С LEGO MINDSTORMS NXT поставляется графическая среда программирования на базе LabView - NXT G. Она поддерживает операционные системы Windows и Mac. Программное обеспечение очень простое и рассчитано на учащихся, не обладающих специальными знаниями программирования. В среде NXT G каждый блок программирования представляется в виде графического блока. Графические блоки перетягиваются на рабочее поле и плотно соединяются между собой, образую целостную логическую цепочку.

Поле для работы и создания программ в ПО NXT G выглядит следующим образом (Рис.16):